СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ ВРЕДНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/24 B09B1/00 

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам захоронения биологически вредных отходов, в частности оно может быть использовано для захоронения твердых или отвержденных радиоактивных отходов, для захоронения токсичных отходов химической промышленности и других видов отходов.

В настоящее время проблема захоронения токсичных, особенно радиоактивных отходов, приобрела особо актуальное значение, так как такие отходы представляют большую опасность для жизнедеятельности человека на протяжении очень длительного времени, так как период их распада исчисляется десятками, а то и сотнями лет. Существующие на сегодня способы захоронения таких отходов в основном сводятся к складированию их в непроницаемые или слабопроницаемые горные породы, залегающие вблизи поверхности (в глинистые отложения), или на больших глубинах путем создания в прочных породах каверн, полостей, которые окружают еще рядом предохранительных барьеров. Основными недостатками таких способов являются: возможность миграции отходов за пределы хранилища с проникновением в водоносные горизонты и отсутствие контроля за их состоянием, что исключает возможность оценки факта их миграции из хранилища.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ захоронения вредных и токсичных отходов (патент СШ N 4687372, кл. B 09 B 1/00, 1987).

В данном способе для захоронения вредных отходов по данным гидравлической проводимости определяют глубину залегания водоупорного пласта, по периметру выкапывают траншеи глубиной до этого пласта, заполняют траншеи гидронепроницаемым материалом. В пространстве между хранилищем и образованным экраном бурят скважины, под хранилищем располагают дренажную систему, связанную со скважинами, через которую откачивают жидкость из хранилища, и поддерживают ее уровень ниже днища хранилища.

Задача изобретения создание способа захоронения вредных и токсичных отходов, который позволил бы исключить миграцию отходов в водоносные горизонты и обеспечить надежный контроль за состоянием отходов.

Задача решена созданием способа захоронения вредных отходов, включающего создание в грунте полости, заполнение ее отходами и закрытие ее сверху слоем непроницаемых пород. При этом днище полости размещают выше водоупорного пласта, вокруг полости создают заглубленный в водоупорный пласт замкнутый контур из непроницаемого материала, а в пространстве между полостью и контуром бурят скважины, через которые откачивают жидкость и поддерживают статический уровень в хранилище ниже днища полости равным:
h_x k₁•h₁,
где h₁ статический уровень жидкости (от поверхности) в верхнем водоносном горизонте, залегающем над водоупорным горизонтом, т.е. за стенками контура из непроницаемых пород:
k₁ коэффициент, равный 1,0-1,1.

Кроме того, при малой толщине водоупорного пласта уровень жидкости в подземном хранилище поддерживают в пределах, определяемых соотношением:
h_x= h_в-K₂(h_в+a-h₂)γ₂/γ_x,
где h_x рабочий уровень жидкости в хранилище (от поверхности);
h_в глубина кровли водоупорного пласта;
a толщина водоупорного пласта;
h₂ уровень жидкости в водоносном горизонте, лежащем ниже водоупорного пласта;
γ₂ удельный вес жидкости в нижнем водоносном горизонте;
γ_x удельный вес жидкости в хранилище;
k₂ коэффициент, равный 0,9-1,0.

Кроме того, для повышения надежности предотвращения выхода радионуклидов за пределы хранилища перед заполнением контура непроницаемым материалом в его стенках могут быть размещены электроды, к которым подают напряжение постоянного тока для создания электроосмоса, вектор которого направлен внутрь хранилища.

Условие [1] означает, что статический уровень в хранилище поддерживается равным (при K₁=1) или немного выше (при K₁=1,1) статического уровня в водоносном горизонте за стенками контура из непроницаемых пород, заглубленного в водоупор. Это означает, что миграция жидкости, могущей содержать вредные отходы из хранилища, за непроницаемый контур, полностью отключается. Коэффициент K₁ не должен быть меньше единицы, иначе возможна фильтрация жидкости за пределы контура, в случае наличия слабопроницаемых участков в контуре. Коэффициент K₁ не желательно принимать более 1,1, так как в этом случае увеличивается перепад напоров на стенках контура и приток жидкости в хранилище может быть существенным.

Условие [2] означает, что давление столба жидкости у кровли водоупора, создаваемое статическим уровнем в хранилище, равно (при K₂=1,0) или немного меньше (при K₂=0,9) давления у подошвы водоупора, создаваемого статическим уровнем водоносного горизонта, залегающего под водоупором. Отсюда следует, что даже при наличии слабой проницаемости водоупорного горизонта, фильтрация жидкости, а следовательно, и вредных веществ через водоупор в нижележащий водоносный горизонт также полностью исключается. При этом также коэффициент K₂ не должен быть больше единицы, так как в этом случае возможна фильтрация вод из хранилища в водоносный горизонт под водоупором. Значение коэффициента K₂ не должно быть менее 0,9, так как в этом случае приток воды в хранилище увеличится, что потребует ее откачки, а возможно и очистки при попадании в нее вредных веществ, содержащихся в хранилище.

Размещение скважин, через которые откачивают жидкость, в пространстве между замкнутым контуром и полостью позволяет поддерживать уровень жидкости в заданных пределах. Кроме того, эти скважины используют как контрольно-наблюдательные, что обеспечивает постоянный и эффективный контроль за состоянием отходов.

Размещение электродов в стенках контура позволяет обеспечить вторую ступень защиты от нежелательного движения воды на границах объекта захоронения посредством принудительной электрической поляризации искусственного и естественного материалов, составляющих основу вертикальных оградительных "стен в грунте".

Причем целесообразно вблизи или непосредственно на площадке хранилища размещать какие-либо легкие промышленные сооружения, требующие постоянного или периодического обслуживания, такие, например, как электро- и газораспределительные устройства, пункты контроля коммуникаций и так далее. Это позволит полезно использовать площадь подземного хранилища и снизить стоимость контроля за его состоянием, тем более, что сами эти расходы будут минимальны при автоматизации контроля наблюдений.

На фиг. 1 представлено подземное хранилище для вредных отходов в разрезе; на фиг. 2 то же, в плане.

В грунте создают полость для складирования отходов 1, вокруг которой сооружают замкнутый контур 2 из непроницаемого материала типа стена в грунте, заглубленный в водоупорный пласт 3. Сверху полость для отходов и всю площадь внутри замкнутого контура перекрывают непроницаемым материалом 4 для предотвращения проникновения внутрь хранилища атмосферных осадков. Внутри контура 2 между полостью 1 и стенками из непроницаемого материала бурят скважины 5, через которые производят понижение уровня воды в хранилище ниже днища полости, и поддерживают его равным h_x k₁•h₁.

В этом случае, если замкнутый контур окажется частично проницаемым и в хранилище будет иметь место поступление некоторого количества воды, ее откачивают посредством погружного насоса 7, установленного в одной из скважин 5 за пределы контура в открытый водоем или в водоносный горизонт через одну из скважин 6. Если же вода в хранилище окажется по каким-то причинам частично загрязненной вредными компонентами отходов из полости, то производят ее очистку прокачкой насосом 8, установленным на поверхности, через колонку 9, заполненную сорбентом с закачкой в водоносный горизонт за пределами непроницаемого контура, а отработанный сорбент складируют в полости в отдельном отсеке 10, закрытой крышкой 11.

В том случае, когда водоупорный пласт будет иметь небольшую мощность, менее 1-2 м и обладать невысокими водоупорными свойствами, может иметь место фильтрация жидкости через водоупор внутрь хранилища в нижележащий водоносный горизонт 12 (фиг. 1). Чтобы исключить такую возможность необходимо, чтобы давление в подземном хранилище у кровли водоупорного горизонта было равным или немного меньше давления у подошвы водоупора. Это достигается тем, что уровень воды в хранилище h_x устанавливают равным
h_x= h_в-K₂(h_в+a-h₂)γ₂/γ₁,
где h_в глубина кровли водоупора;
a толщина водоупора;
h₂ уровень жидкости в водоносном горизонте лежащем ниже водоупорного пласта (от поверхности);
γ₁,γ₂ удельные веса жидкости в водоносных горизонтах, расположенных над и под водоупором соответственно.

Контроль за статическим уровнем в водоносном горизонте, залегающим под водоупором, осуществляют через скважину посредством датчика 14. Аналогично контролируют положение уровней в водоносном горизонте, залегающем выше водоупора и в самом хранилище. Показания датчиков фиксируются вторичными приборами на приборном щите 15.

Поддержание необходимого давления в хранилище на уровне кровли водоупора производят не только установлением соответствующего уровня h_x но и, при необходимости, изменением удельного веса жидкости в хранилище γ₁, путем увеличения минерализации воды, например, заменой пресной воды на более минерализованную.

Принудительная электрическая поляризация материала границ хранилища производится источником постоянного электрического тока ограниченной мощности с помощью электродов, в качестве которых могут быть использованы стволы имеющихся на объекте скважин, а также металлическая арматура, например, в виде металлической сетки, закладываемая в "стену в грунте" при ее сооружении. Основным требованием к принудительной электрической поляризации материала границ сооружения является придание вектору электрической напряженности этого материала такой направленности, которая обеспечивает возникновении на этих границах электроосмотического переноса флюидов к центру сооружения.

Электроосмотическая защита объекта от нежелательного выхода за его пределы радионуклидов может работать как самостоятельно, так и совместно с гидродинамической защитой (за счет регулирования h_x, обеспечивая надежность последней.

Пример осуществления способа захоронения вредных отходов.

Район намечаемого сооружения хранилища характеризуется следующими основными исходными данными: глубина залегания водоупорного пласта 20 м, уровень воды в водоносном горизонте, залегающем над водоупором h₁=10 м, толщина водоупора 5 м, водоупор обладает высокими экранирующими свойствами, исключающими фильтрацию через него жидкости.

Необходимо соорудить подземное хранилище для твердых отходов в количестве 10 тыс.м³.

В соответствии с предлагаемым способом в грунте создается полость (выемка) размером 50 х 50 х 5 м, в которой размещают отходы, закрывая сверху метровым слоем из непроницаемых пород, например, глиной. Вокруг полости, на расстоянии 2-3 м от стенок полости вооружают замкнутый контур из непроницаемых пород на глубину 20,5 м, т.е. с частичным заглублением в водоупор.

Контур сооружают, например, посредством выемки траншеи шириной 0,5 м с заполнением ее глиной. Для сооружения траншеи может быть использован агрегат СВД-500Р-1М, производимый строймонтажным объединением "Союзгидроспецстрой". Этот агрегат производит разработку траншей шириной 0,5-0,7 м и глубиной до 50 м в мягких и скальных породах до У1 группы грунта. Вся площадка в пределах контура покрывается сверху слоем из непроницаемым пород (например, глиной) толщиной 0,5-1 м с уклоном от центра к краям. Сверху непроницаемого материала может быть уложен грунт и засеян травами или уложен асфальт.

Между стенками контура и полостью бурят скважины до кровли водоупора, обсаживают колонной диаметром 146-168 мм, которую перфорируют в нижней части на 2/3 интервала, размещаемого ниже намечаемого уровня воды. В скважинах размещают погружные насосы с датчиками уровня и откачивают воду до понижения уровня до 10,5 м, соблюдая таким образом условие h_x≥h₁
Рассмотрим далее подвариант данного примера, оставим все прежние условия, кроме того, что водоупор имеет толщину 1,5 м и относится к классу слабопроницаемых, т. е. при существенной разнице напоров через него может бы иметь место фильтрация жидкости, при этом под водоупором размещается второй водоносный горизонт. Принимаем, что уровень воды в этом горизонте h₂ составляет также 10 м, а удельные веса воды в первом и втором горизонтах одинаковы и равны 1 г/см³.

В этом случае для исключения перетока жидкости через водоупор необходимо, чтобы уровень в хранилище отвечал условию, определяемому по формуле (2). Подставляя значения исходных данных в формулу (2), при K₂ 1, получаем h_x 8,5 м. Однако в этом случае не соблюдается условие h_x≅h₁ (h₁ 10 м), т.е. при наличии слабой проницаемости стенки из непроницаемых пород возможна, хотя и ограниченная по величине, фильтрация воды из хранилища в первый (верхний) водоносный горизонт. Следовательно, соблюдение обоих условий для данного примера может быть достигнуто изменением удельного веса жидкости в хранилище. Задаваясь сразу понижением уровня в хранилище на 0,5 м, т.е. принимая 10,5 м, а K₂ 0,96, и разрешая (2) относительно γ и подставляя данные, получим

Замена воды в хранилище производится откачкой воды с удельным весом 1 г/см³ с закачкой воды с расчетным значением удельного веса (например, рассола) до уровня 10,5 м.

Следует отметить, что предложенный способ может быть использован и в тех случаях, когда уже созданы пункты временного хранения радиоактивных отходов в приповерхностных траншеях в грунте, без защиты от окружающей среды, как это имеет место, например, в 30 км зоне Чернобыльской АЭС и в ряде прилегающих районов Украины, Белоруссии и РСФСР.

Использование: горное дело, в частности способы захоронения биологически вредных отходов, радиоактивных отходов, токсичных отходов химической промышленности и других видов отходов. Сущность изобретения: способ предусматривает создание в грунте полости, заполнение ее отходами и закрытие ее сверху слоем водонепроницаемых материалов. При этом днище полости размещают выше водоупорного пласта и вокруг полости создают заглубленный в водоупорный пласт замкнутый по контуру боковой экран. Между полостью и контуром бокового экрана бурят скважины, через которые откачивают жидкость. Уровень жидкости в хранилище поддерживают ниже днища полости. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ захоронения вредных отходов, включающий создание в грунте полости, сооружение вокруг полости замкнутого по контуру и заглубленного в нижележащий водоупорный пласт бокового экрана из водонепроницаемого материала, поддержание уровня жидкости в хранилище ниже днища полости посредством откачки жидкости через скважины, пробуренные между полостью и контуром бокового экрана, заполнение полости отходами и перекрытие ее слоем водонепроницаемых материалов, отличающийся тем, что уровень жидкости в хранилище поддерживают в соответствии с соотношением
h_x Kh₁,
где h_х рабочий уровень жидкости в хранилище;
h₁ статический уровень жидкости в верхнем водоносном горизонте, в котором размещают хранилище;
K коэффициент, лежащий в пределах 1,0 1,1. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уровень жидкости в хранилище, обеспечивающий соблюдение основного условия h_x Kh₁, регулируют в соответствии с соотношением
h_x= h_в-K₂(h_в+a-h₂)γ₂/γ_x,
где h_в глубина кровли водоупорного пласта;
h₂ уровень жидкости в водоносном горизонте, лежащем ниже водоупорного пласта;
а толщина водоупорного пласта;
γ₂ - удельный вес жидкости в нижнем водоносном горизонте,
γ_x - удельный вес жидкости в хранилище;
K₂ коэффициент, лежащий в пределах 0,9 1,0. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что с внешней стороны бокового экрана бурят по крайней мере одну скважину на вышележащей относительно водоупорного пласта водоносный горизонт и одну скважину на нижележащий горизонт, через которые контролируют статический уровень в этих горизонтах. 4. Способ п.1, отличающийся тем, что в период сооружения бокового экрана в его теле размещают электроды, подают на них напряжение постоянного тока и создают в теле этого экрана электростатическое поле с вектором напряженности, направленным внутрь хранилища.